CN101799688A - 一种风力发电半实物仿真测试平台 - Google Patents

一种风力发电半实物仿真测试平台 Download PDF

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程明
刘永生
张建忠
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Abstract

一种风力发电半实物仿真测试平台，对被测试的风力发电设备构建完整的虚拟风力发电系统，能进行风力发电设备的性能测试和校验工作，提高被测试设备的运行数据的准确性和可靠性，降低新产品开发成本，加快开发进度。该平台包括宿主机(1)、目标机(2)、数据采集卡(3)、信号调理板(4)和测试设备(5)，其中：宿主机(1)与目标机(2)通过以太网或者RS232连接，目标机(2)与数据采集卡(3)通过端子接线口凌华DIN-37D-01连接，数据采集卡(3)与信号调理板(4)通过导电排线连接，信号调理板(4)与被测试设备(5)通过导电排线连接。

Description

一种风力发电半实物仿真测试平台
技术领域
本发明涉及风力发电半实物仿真测试平台的技术，属于新能源发电技术领域。
背景技术
在可预计的一段时间内，随着世界经济发展，能源的消耗将急剧增加，然而由于我国资源的相对匮乏以及不可再生资源的消耗对于环境的破坏，使得我国将在未来一段时间内长期面临着环境和资源的双重压力，发展包括风力发电在内的可再生能源是中国能源困境的最终解决办法。在中国风力发电系统设备制造已有相当规模，但是在风力发电系统设备的开发和研究中，极其缺乏一整套易于操作的解决设计、分析和验证的平台。传统上常用两种方式来解决这个问题：一是在真实的风电场中进行验证研究，但是这种对于风力发电设备的验证不仅投资巨大，而且还会面临试验风场风速的间歇性和不稳定性，并具有一定的危险性，导致这种方式往往使用效率极其低下。为了克服上述方法存在的问题，许多研究机构和公司采用电动机模拟风力机特性的办法，解决风力发电设备验证的问题。实际上，由于风力机的结构参数和性质极其复杂，目前所用于模拟风力机特性的手段仅考虑了风力机在理想情况下的气动转矩，忽视了现代大型风力发电机组中，叶片的柔韧性、塔架的扭曲、噪声和振动对于风力机的影响，因此该方法能够获得的效果值得怀疑。为了适应现代大型风力机的最新发展趋势，充分考虑风力机结构参数和性质的特性，搭建出一套完整、可行、准确、廉价的半实物仿真测试平台，对于真实风力发电设备的验证和应用，有着非常重要的现实意义。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种风力发电半实物仿真测试平台，对被测试的风力发电设备构建完整的虚拟风力发电系统，能进行风力发电设备的性能测试和校验工作，提高被测试设备的运行数据的准确性和可靠性，降低新产品开发成本，加快开发进度。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：此发明是基于xPC技术(xPC技术
是由MathWorks公司提供的，其将在Simulink中搭建的模型，通过RTW产生代码，最后下载到另一个PC机上运行xPC Target实时内核)的风力发电半实物仿真测试平台，该平台包括宿主机、目标机、数据采集卡、信号调理板和测试设备，其中：宿主机与目标机通过以太网或者RS232连接，目标机与数据采集卡通过端子接线口凌华DIN-37D-01连接，数据采集卡与信号调理板通过导电排线连接，信号调理板与被测试设备通过导电排线连接。
宿主机为非实时系统，内置Matlab/Simulink搭建的风力发电系统模型，将宿主机的风力发电系统模型转化为目标机应用代码并下载到目标机；目标机为实时系统，内置目标机应用代码的实时内核。
宿主机内置的风力发电系统模型包括典型风速集、风力机模型、发电机模型、PWM变换器模型、电网模型、伺服机构模型、虚拟风力机模型和虚拟风力发电系统监控操作平台；所述的虚拟风力机模型是利用Matlab/Simulink中的V-ReamlBuilder软件创建、确定其结构并对其节点进行赋值，采用虚拟现实工具箱实现虚拟现实技术与xPC技术结合；所述的虚拟风力发电系统监控操作平台是由Visual C++结合xPC进行编写软件程序并编译而成动态链接库，用LabVIEW实现人机界面的虚拟仪表盘，并通过LabVIEW调用上述动态链接库，从而监控和操作虚拟风力发电系统的运行。
目标机中含数据采集卡的驱动程序，用于被测试设备和目标机中的实时内核模块之间交换数据，所述的数据采集卡驱动程序包含五部分：附加参数合法性检查、初始化、计算模块、输出内存释放和输出归零以及条件编译语句。
所述被测试设备的具体形态为控制器。被测试设备的具体形态为伺服机构。被测试设备的具体形态为发电机或PWM变换器。
有益效果：本发明的优点在于：基于xPC技术建立的风力发电半实物仿真测试平台摒弃了昂贵的纯实物平台，避免了纯仿真平台运行结果的可靠性和准确性有限的缺点，实现一整套廉价、易于操作的硬件在回路仿真平台，使得仿真软件中搭建的系统和硬件系统实现无缝连接，并通过虚拟现实技术和LabVIEW技术，构建出一套人机界面友好的风力发电设备验证仿真测试平台。其可以灵活地应用于研究机构开发风力发电设备，也可用于在极端情况下风力发电设备的设计和调整。实物形态的被测试设备可以是控制器、风力发电机、PWM变换器、伺服机构等，数据采集卡可以是凌华、研华等公司不同型号的板卡，也可以在不同软件平台上，如PSCAD、DIGSilent、Visual C等进行半实物仿真平台的运行和分析，为风力发电控制器的研究提供一个快速可行、廉价、研究周期短的半实物仿真测试平台。
附图说明
图1为风力发电半实物仿真测试平台连接示意图；
图2为宿主机和目标机的连接示意图；
图3为被测试控制器设备的风力发电半实物仿真测试平台结构图；
图4为虚拟风力机与xPC技术结合的原理图；
图5为数据采集卡驱动程序的流程图；
图中：1、宿主机，2、目标机，3、数据采集卡，4、信号调理板，5、被测试设备。
具体实施方式
风力发电半实物仿真测试平台的连接方式是：宿主机通过以太网或RS232与目标机连接。宿主机为非实时系统，内置Matlab/Simulink搭建的风力发电系统模型，将宿主机的风力发电系统模型转化为xPC目标机应用代码并下载到目标机；目标机为实时系统，内置xPC实时内核。
所述的xPC技术，是Matlab/Simulink提供的用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC机解决途径。xPC技术采用了宿主机-目标机的技术途径，即“双机”模式。xPC技术提供了一个高度简缩型的实时操作核(代码)，运行在目标PC机上。xPC技术通过以太网或者串口线连接来实现宿主机和目标机之间的通信。xPC技术是Matlab公司提供的一种方便、廉价的硬件在回路仿真技术。
所述的风力发电半实物仿真测试平台，宿主机内置的风力发电系统模型包括典型风速集、风力机模型、发电机模型、PWM变换器模型、电网模型、伺服机构模型、虚拟风力机模型和虚拟风力发电系统监控操作平台；所述的虚拟风力机模型是利用Matlab/Simulink中的V-Reaml Builder软件创建、确定其结构并对其节点进行赋值，采用虚拟现实工具箱实现虚拟现实技术与xPC技术结合；所述的虚拟风力发电系统监控操作平台是由Visual C++结合xPC进行编写软件程序并编译而成动态链接库，用LabVIEW实现人机界面的虚拟仪表盘，并通过LabVIEW调用上述动态链接库，从而监控和操作虚拟风力发电系统的运行。
所述的风力发电半实物仿真测试平台，目标机中含数据采集卡驱动程序，用于被测试设备和目标机中的xPC实时内核模块之间交换数据，所述的数据采集卡驱动程序包含五部分：附加参数合法性检查、初始化、计算模块、输出内存释放和输出归零以及条件编译语句。
附图非限制性地公开了本发明实施例的具体结构，下面结合附图对本发明作进一步说明。
由图1可见，风力发电半实物仿真测试平台连接示意图，其连接方式是：宿主机通过以太网或RS232与目标机连接，目标机与数据采集卡连接，数据采集卡与信号调理板连接，信号调理板与被测试设备连接。
由图2可见，宿主机和目标机的连接示意图。xPC技术是Matlab/Simulink提供的一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC机解决途径。xPC技术采用了宿主机-目标机的技术途径，即“双机”模式。xPC技术提供了一个高度简缩型的实时操作核(代码)，运行在目标PC机上。xPC技术通过以太网或者串口线连接来实现宿主机和目标机之间的通信。
由图3可见，一种基于xPC技术的被测试控制器设备的风力发电半实物仿真测试平台结构图，宿主机内置的风力发电系统模型包括典型风速集、风力机模型、发电机模型、PWM变换器模型、电网模型、伺服机构模型、虚拟风力机模型和虚拟风力发电系统监控操作平台；所述的虚拟风力机模型是利用Matlab/Simulink中的V-Reaml Builder软件创建、确定其结构并对其节点进行赋值，采用虚拟现实工具箱实现虚拟现实技术与xPC技术结合；所述的虚拟风力发电系统监控操作平台是由Visual C++结合xPC进行编写软件程序并编译而成动态链接库，用LabVIEW实现人机界面的虚拟仪表盘，并通过LabVIEW调用上述动态链接库，从而监控和操作虚拟风力发电系统的运行。
由图4可见，虚拟风力机与xPC技术结合的原理图，根据风力机运行的工作原理设计出风力机运行的控制策略，将其控制策略在目标机中运行，再将计算出的控制信号通过虚拟模型和宿主机的通信接口传给虚拟风机，驱动虚拟风机各个节点的运行，模拟出一个在不同风况条件下真实风力机的运行。
由图5可见，数据采集卡驱动程序的流程图，通过编写特定板卡的驱动，使得数据采集卡无缝应用于xPC技术。对于半实物仿真测试平台，由于实物形态的被测试设备和目标机xPC实时内核之间的数据交换需要数据采集卡去实现，可以根据驱动编写的语法规则自行编写板卡驱动，驱动的编写包含五部分：附加参数合法性检查、初始化、计算模块、输出内存释放和输出归零以及条件编译语句。

Claims (7)

1.一种风力发电半实物仿真测试平台，其特征在于该平台包括宿主机(1)、目标机(2)、数据采集卡(3)、信号调理板(4)和测试设备(5)，其中：宿主机(1)与目标机(2)通过以太网或者RS232连接，目标机(2)与数据采集卡(3)通过端子接线口凌华DIN-37D-01连接，数据采集卡(3)与信号调理板(4)通过导电排线连接，信号调理板(4)与被测试设备(5)通过导电排线连接。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电半实物仿真测试平台，其特征在于宿主机(1)为非实时系统，内置Matlab/Simulink搭建的风力发电系统模型，将宿主机(1)的风力发电系统模型转化为目标机应用代码并下载到目标机(2)；目标机(2)为实时系统，内置目标机应用代码的实时内核。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电半实物仿真测试平台，其特征在于：宿主机(1)内置的风力发电系统模型包括典型风速集、风力机模型、发电机模型、PWM变换器模型、电网模型、伺服机构模型、虚拟风力机模型和虚拟风力发电系统监控操作平台；所述的虚拟风力机模型是利用Matlab/Simulink中的V-ReamlBuilder软件创建、确定其结构并对其节点进行赋值，采用虚拟现实工具箱实现虚拟现实技术与xPC结合；所述的虚拟风力发电系统监控操作平台是由Visual C++结合xPC进行编写软件程序并编译而成动态链接库，用LabVIEW实现人机界面的虚拟仪表盘，并通过LabVIEW调用上述动态链接库，从而监控和操作虚拟风力发电系统的运行。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电半实物仿真测试平台，其特征在于：目标机(2)中含数据采集卡(3)的驱动程序，用于被测试设备(5)和目标机(2)中的实时内核模块之间交换数据，所述的数据采集卡驱动程序包含五部分：附加参数合法性检查、初始化、计算模块、输出内存释放和输出归零以及条件编译语句。
5.根据权利要求1或2所述的风力发电半实物仿真测试平台，其特征在于所述被测试设备(5)的具体形态为控制器。
6.根据权利要求1或2所述的风力发电半实物仿真测试平台，其特征在于：被测试设备(5)的具体形态为伺服机构。
7.根据权利要求1或2所述的风力发电半实物仿真测试平台，其特征在于：被测试设备(5)的具体形态为发电机或PWM变换器。
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